Доприноси Џозефа Џона Томсона науци помогли су у револуцији у разумевању атомске структуре. Иако математичар и експериментални физичар по обуци, Ј. Ј. Тхомсон је увелико допринео пољу хемије откривајући постојање електрона, развијајући масени спектрометар и одређујући присуство изотопа.
Томсоново рано интересовање за науку
Ј. Ј. Тхомсон је рођен у Манчестеру у Енглеској 1856. године. Отац је очекивао да буде инжењер. Када се инжењерско науковање није остварило, послан је са 14 година на колеџ Овен. После погибије Ј. Оца Ј., трошковима инжењерског шегртовања није се могло управљати. Уместо тога, 1876. године добио је стипендију за Тринити Цоллеге у Цамбридге-у студирати математику.
Након похађања Тринити Цоллеге-а, Тхомсон је 1880. године постао сарадник Тринити Цоллеге-а. Током целе каријере остао је као професор на Тринити-у. У 28. години наследио је Лорда Раилеигх-а (откривача аргона и истраживача густина гасова) на месту кавендиског професора експерименталне физике на Цамбридгеу 1884. године.
Ј.Ј. Тхомсон: Почеци експеримента
Тхомсон, као професор експерименталне физике, покушао је да изгради математичке моделе како би објаснио природу атома и електромагнетизма.
Катодне зраке започео је 1894. У то време се мало разумело о катодним зрацима, осим што су ужарени сноп светлости у високовакуумској стакленој цеви. Катодна цев је шупља стаклена дугуљаста посуда у којој се ваздух уклања ради стварања вакуума. На катоди се примењује висок напон, што узрокује зелени сјај на супротном крају стаклене цеви.
Идеја да ситне честице преносе електричну енергију предложена је 1830-их. Када је Тхомсон дозволио да катодни зраци путују ваздухом у односу на вакуум, открио је да су прешли велику удаљеност пре него што су заустављени; путовали су још даље у вакууму. Сматрао је да честице морају бити мање од процењене величине атома.
Ј.Ј. Тхомсон: Експерименти са отклоном катодних зрака
Да би тестирао своју хипотезу да су честице катодних зрака мање од величине атома, Тхомсон усавршио свој експериментални апарат и почео да одбија катодне зраке електричним и магнетним поља. Његов циљ је био да утврди да ли ове честице имају позитиван или негативан набој. Такође, угао отклона би му омогућио да процени масу.
После мерења угла под којим су ови зраци били одбијени, израчунао је однос електричног наелектрисања и масе честица. Тхомсон је открио да је однос остао исти без обзира на то који је гас коришћен у експерименту. Претпоставио је да су честице садржане у гасовима универзалан а не зависе од састава гаса који се користи.
Ј.Ј. Тхомсон: Модел атома
Све док Ј. Ј. Томсонови експерименти са честицама катодних зрака, научни свет је веровао да су атоми најмање честице у свемиру. Преко 2000 година, атом се сматрао најмањом могућом честицом, а грчки филозоф Демокритис именовао је ову најмању честицу атомос за нерешив.
Свет је сада први пут угледао субатомску честицу. Наука би била заувек промењена. Сваки нови модел атома мора да садржи субатомске честице.
Тхомсон је ове честице назвао телесцима. И док је био у праву у вези са постојањем честица, име које им је дао променио се: Ове негативно наелектрисане честице су сада познате као електрони.
Ј.Ј. Тхомсон: Атомска теорија
Овом новом субатомском честицом Ј. Ј. Тхомсон је произвео нови атомски модел, или атомску теорију, у вези са структуром атома.
Томсонова теорија је сада позната као атомски модел пудинга од шљиве или Тхомсон-ов атомски модел. Атом се визуелно сматрао једнолико позитивно наелектрисаном масом („пудинг“ или „тесто“) са електронима расејаним по целом телу (попут „шљива“) ради уравнотежења наелектрисања.
Модел пудинга од шљиве показао се нетачним, али је понудио први покушај уградње субатомске честице у атомску теорију. Године 1911. Ернест Рутхерфорд - бивши студент Ј. Ј. Тхомсон - доказао је да је ова теорија нетачна експериментисањем и претпоставком језгра.
Изум масеног спектрометра
Масени спектрометар је сличан катодној цеви, мада је његов зрак направљен од анодних зрака или позитивних наелектрисања, а не од електрона. Као и код Ј. Ј. Томсонови експерименти са електронима, позитивни јони се одбијају од праве путање електричним и магнетним пољима.
Тхомсон је побољшао познату анодну зрачну цев причвршћивањем заслона сличног осцилоскопу на тачку детекције. Екран је био пресвучен материјалом који је флуоресцирао при удару зрака.
Једном када наелектрисана честица пролази поред магнетног поља, она се скреће. Овај отклон је пропорционалан односу масе и наелектрисања (м / е). Отклони, који су делови параболе, могли би се тачно снимити на екрану. Свака врста послата кроз анодну зрачну цев има засебну параболу.
Када су лагане врсте превише дубоко продрле на екран, Џ. Ј. Тхомсон је конструисао прорез у цеви где би седео екран. То му је омогућило да направи интензитет у односу на релативну масу и створи први масени спектрометар.
Тхомсон је развио масени спектрометар заједно са својим студентским истраживачем Францис Виллиам Астон. Астон је наставио ово истраживање и за свој рад је 1922. добио Нобелову награду.
Откриће изотопа
Ј. Ј. Тхомсон и Астон су помоћу масеног спектрометра идентификовали позитивне јоне водоника и хелијума. 1912. испаљивали су јонизовани неон у електрично и магнетно поље. Појавила су се два одвојена узорка за сноп: један са атомском масом 20 и слабијом параболом масе 22.
Након сугерисања нечистоћа, схватио је да је ова слабија парабола тежи облик неона. Ово је указивало на два атома неона са различитим масама, познатијим као изотопи.
Подсетимо се да је изотоп промена броја неутрона у језгру. Са изотопом, идентитет елемента остаје исти, али у језгру има различит број неутрона. Ј. Ј. Тхомсон и Астон су закључили већу масу другог неонског изотопа, а да нису имали користи од сазнања о постојању неутрона (открио Јамес Цхадвицк 1932).
Ј.Ј. Тхомсон: Допринос науци
1906. године Ј. Ј. Тхомпсон је добио Нобелова награда у физици „уважавајући велике заслуге ових теоријских и експерименталних истраживања на проводљивост електричне енергије гасовима. “ Тхомсон је заслужан за идентификацију електрона као честица ан атом.
Иако су многи други научници пратили атомске честице током времена Томсонових експеримената, његова открића довела су до новог разумевања електричне енергије и атомских честица.
Тхомсон је с правом заслужан за откриће изотопа и његови експерименти са позитивно наелектрисаним честицама довели су до развоја масеног спектрометра. Ова достигнућа су допринела еволуцији знања и открића у физици и хемији која су се наставила до данас.
Ј. Ј. Тхомсон је умро у августу 1940. у Цамбридгеу и сахрањен је у Вестминстер Аббеи у близини Исаац Невтон и Цхарлес Дарвин.